煤矸石路基填料的篩分與滲透分析

摘 要：篩分試驗(yàn)及級配曲線能直觀反映煤矸石作為路基填料可以達(dá)到的密實(shí)程度，本文通過滲透試驗(yàn)對煤矸石的滲透系數(shù)進(jìn)行了分析，且定性分析最佳壓實(shí)狀態(tài)下煤矸石填料的空隙率，也通過分析煤矸石填料作路基的滲透系數(shù)，從而達(dá)到指導(dǎo)路基分層鋪筑壓實(shí)工序的效果。并且通過分析篩分與滲透數(shù)據(jù)，比較了3種不同煤矸石作路基填料的差異。并引入分形級配曲線圖與不均勻系數(shù)的對比，從兩個角度說明三種煤矸石填料是優(yōu)秀級配。

關(guān)鍵詞：煤矸石；篩分試驗(yàn)；滲透試驗(yàn)；分形級配；不均勻系數(shù)

引言

長期以來，煤矸石一直被視為污染源和廢棄物，被忽略和遺忘。然而，隨著科技的不斷進(jìn)步以及對環(huán)境可持續(xù)性的更高關(guān)注，人們開始重新審視煤矸石，并認(rèn)識到其潛在的再利用價(jià)值。煤矸石作為路基填料的概念引發(fā)了廣泛興趣，這種做法不僅有助于減少煤礦廢物的積累，還可以降低道路建設(shè)的成本，同時(shí)減少對自然資源的依賴。然而，要成功將煤矸石用于道路建設(shè)，必須經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)研究，以充分了解其物理和工程性質(zhì)[1]。

本研究的目標(biāo)在于深入探討煤矸石作為鐵路路基填料的性能。通過篩分試驗(yàn)，測定級配煤矸石的性能指標(biāo)，確定煤矸石中各粒組顆粒的相對含量，得出煤矸石的級配特點(diǎn)，并提出改善級配便于壓實(shí)的措施。通過滲透試驗(yàn)，測試煤矸石在最佳擊實(shí)狀態(tài)下的滲透性能。通過篩分試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，我們將研究煤矸石的工程特性，以揭示其在道路建設(shè)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。這兩項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)將為我們提供深刻的洞察，使我們更好地理解煤矸石在道路建設(shè)領(lǐng)域的角色和潛力，進(jìn)一步促進(jìn)可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實(shí)現(xiàn)[2]。

一、篩分試驗(yàn)

在篩分試驗(yàn)中共取三組煤矸石樣品。分別記為：煤矸石1號、煤矸石2號、煤矸石3號。將各材料放入電熱干燥箱，控制溫度在105℃～110℃，進(jìn)行烘干。選用干篩法開展篩分實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果按下式計(jì)算不均勻系數(shù)

煤矸石1號的不均勻系數(shù)平均值為Cu=10.3，曲率系數(shù)=1.3，為良好級配，按工程性能和級配特征定名該煤矸石為良好級配粗角礫，填料組別為A1。該組煤矸石顆粒尺寸在10mm～60mm區(qū)間內(nèi)所占質(zhì)量比重最大；其次是處于2mm～5mm區(qū)間內(nèi)的質(zhì)量比重；最后是尺寸大于60mm及小于2mm的質(zhì)量比重。

煤矸石2號的不均勻系數(shù)平均值為Cu=5.1，曲率系數(shù)=1.2，為均勻級配，按工程性能和級配特征定名該煤矸石為均勻級配中角礫，填料組別為B2。該組煤矸石顆粒尺寸在5mm～40mm區(qū)間內(nèi)所占質(zhì)量比重最大；其次是處于40mm～60mm及2mm～5mm區(qū)間內(nèi)的質(zhì)量比重；最后是大于60mm及小于2mm的質(zhì)量比重。與1號煤矸石相比，粗粒徑含量相對較少，細(xì)粒徑含量較少，不均勻系數(shù)較小。煤矸石3號的不均勻系數(shù)Cu=6.4，曲率系數(shù)=1.4，為均勻級配，按工程性能和級配特征定名該煤矸石為均勻級配粗角礫，填料組別B2。該組煤矸石顆粒尺寸在10mm～40mm區(qū)間內(nèi)所占質(zhì)量比重最大；其次是處于2mm、5mm、40mm篩孔尺寸上的質(zhì)量比重；最后是小于2mm及大于60mm的質(zhì)量比重。相對于1號煤矸石和2號煤矸石，其小于10mm孔徑土占總質(zhì)量的百分比最小，即小于10mm的細(xì)粒土含量相對較少。

通過對比三組煤矸石發(fā)現(xiàn)，其中煤矸石1號的不均勻系數(shù)最大，即在成型密實(shí)的情況下，其空隙率最小。煤矸石3號相對于1號、2號，其小于10mm的細(xì)粒土含量較少，在相同成型的條件下，其粗顆粒之間形成的空隙只有較少的細(xì)粒土填充，空隙率較大。在以煤矸石作為路基填料，對空隙率有一定要求的鐵路路基工程中可以考慮煤矸石3號，如圖2所示。圖 2" 不同粒徑區(qū)間及分形維數(shù)對應(yīng)的分形級配曲線

二、煤矸石的滲透試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)過程

1.試驗(yàn)主要儀器及方法

使用常水頭滲透系數(shù)測試儀來測試煤矸石的滲透系數(shù)（如圖3）。由于煤矸石要作為路基填料，應(yīng)測試最佳擊實(shí)狀態(tài)下的滲透系數(shù)。故初步計(jì)劃定制內(nèi)徑為10cm，高為40cm的鋼桶作為擊實(shí)桶，通過重型擊實(shí)試驗(yàn)獲取煤矸石的擊實(shí)曲線，然后控制最佳含水率進(jìn)行重型擊實(shí)，獲取最大干密度的煤矸石試樣，然后直接用該金屬封底圓筒進(jìn)行滲透試驗(yàn)[4]。

由于現(xiàn)場采集的煤矸石塊很多都是大粒徑，根據(jù)級配可知粗集料大約占90%～95%，細(xì)集料大約占10%～5%，所以在滲透試驗(yàn)中選取約95%的粗集料，5%的細(xì)集料進(jìn)行試驗(yàn)，并得出相關(guān)滲透系數(shù)。

2.試驗(yàn)指標(biāo)

（二）試驗(yàn)分析

由本試驗(yàn)采用常水頭滲透試驗(yàn)法，測定了三種不同的煤矸石的滲透系數(shù)。試驗(yàn)過程中，分別在三個不同的水力坡降下，測量了三種煤矸石的滲透流量，然后根據(jù)達(dá)西定律，計(jì)算了每種煤矸石在每個水力坡降下的滲透系數(shù)，最后取三個滲透系數(shù)的平均值作為該種煤矸石的滲透系數(shù)[5]。試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖4所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，煤矸石3號的試樣具有最高的密度，為1.85g/cm3，表明在相同的擊實(shí)功下，煤矸石3號的壓實(shí)度優(yōu)于其他兩種煤矸石，其次是煤矸石1號，而煤矸石2號的壓實(shí)度最低。同時(shí)，煤矸石3號的滲透系數(shù)也最高，為1.5cm/s，表明煤矸石3號的滲透性最好，其次是煤矸石1號，而煤矸石2號的滲透性最差。由此可見，煤矸石的密度和滲透系數(shù)之間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，即密度越高，滲透系數(shù)越大，滲透性越好。三種煤矸石的密度和滲透系數(shù)之間存在著正相關(guān)關(guān)系，密度越高，滲透系數(shù)越高，滲透性越好。此外，三組煤矸石的透水程度均為高滲透性，排水性好。

三、結(jié)論

篩分試驗(yàn)及級配曲線較為直觀反映煤矸石作為路基填料可以達(dá)到的密實(shí)程度，在此次試驗(yàn)中通過滲透試驗(yàn)測得煤矸石的滲透系數(shù)，以此來定性分析在最佳壓實(shí)狀態(tài)下煤矸石填料的空隙率。通過顆粒級配具有分形特征這一特點(diǎn)，根據(jù)已有研究所得的分形級配曲線圖與篩分級配曲線圖對比，表明三種煤矸石的級配都是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)級配。與不均勻系數(shù)量化法所確定的級配類型相一致。

從級配類型上看，該類煤矸石作為路基填料合格。良好和均勻的級配保證其在作為路基填料時(shí)成型密實(shí)均勻且空隙率較小，路基穩(wěn)定。根據(jù)常水頭法測定出來的該材料的滲透系數(shù)都大于1，表明該類煤矸石擊實(shí)成型后透水性好，在鐵路路基工程中，可根據(jù)降雨量選擇該類煤矸石作路基填料，但也要關(guān)注煤矸石本身的抗沖刷及崩解，以防在雨水沖刷作用下造成路基強(qiáng)度降低。

由篩分試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)分析，在路基成型工序中，可以適當(dāng)增加壓實(shí)功。在分層擊實(shí)時(shí)，可以在不同擊實(shí)層處采用不同煤矸石鋪筑。其中，由于煤矸石3號細(xì)顆粒較少，空隙率較大，滲透系數(shù)較大，因此在排水性能上要優(yōu)于煤矸石1號和煤矸石2號鋪筑的鐵路路基，當(dāng)鐵路路基經(jīng)過降雨量較大的地區(qū)及對排水有要求的地區(qū)時(shí)，宜選用煤矸石3號作為路基填料。且煤矸石3號的壓實(shí)度最好，更易密實(shí)成型。

參考文獻(xiàn)：

[1]周楠，姚依南，宋衛(wèi)劍，等.煤礦矸石處理技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2020，37（01）：136-146.

[2]張華林，滕澤棟，江曉亮，等.廢棄煤矸石資源化利用研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué)，2024，43（06）：1-14.

[3]張宗堂，高文華，劉昌平，等.級配對煤矸石路基填料壓實(shí)與強(qiáng)度特性的影響試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2023，31（05）：1-8.

[4]程朝偉.高速鐵路基床表層級配碎石滲透特性試驗(yàn)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2021.

[5]袁偉濤.強(qiáng)降雨復(fù)雜填料路基穩(wěn)定性研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2019.